探水鉆孔卸壓控水裝置設(shè)計及應(yīng)用

于鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)惠陽煤礦，山西 晉城 048100）

1 惠陽煤礦15111運輸順槽掘進(jìn)工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)惠陽煤礦15111運輸順槽掘進(jìn)工作面位于井田的東南部，巷道設(shè)計長度約920 m、寬度4.2 m、高度2.8 m，掘進(jìn)斷面11.76 m2，開口方位角為180°00′00″，沿15號煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)坡度為3°～20°，該巷道服務(wù)于15111綜采工作面的主要運輸與開采工作，截至目前巷道已掘進(jìn)420 m。

15111運輸順槽掘進(jìn)工作面煤層厚度1.3～3.6 m，平均厚度約1.86 m，部分發(fā)育0～1層夾矸，矸厚0.10～0.35 m，結(jié)構(gòu)簡單。煤層的物理性質(zhì)：黑色，條帶狀，以亮煤為主，夾帶鏡煤，呈條帶狀結(jié)構(gòu)和層狀構(gòu)造，煤層較穩(wěn)定。巷道直接頂為深黑色泥巖，厚度1.20～4.36 m；老頂為K2灰?guī)r，厚度4.23～10.26 m；巷道直接底為泥巖，厚度1.30～3.02 m；老底為灰?guī)r，厚度3.44～10.25 m。

根據(jù)15111回風(fēng)順槽（原15103回風(fēng)順槽）所揭露出來的實際情況推測，15111運輸順槽掘進(jìn)工作面巷道頂板多為滴水型和淋水型，該區(qū)域頂板含水層的巖性為K2灰?guī)r，巖溶裂隙，富水性弱。根據(jù)公式計算預(yù)計工作面最大涌水量4.9 m3/h，正常涌水量為3.7 m3/h。為了保證巷道安全快速掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)期間決定進(jìn)行超前探放水施工，但是由于傳統(tǒng)探水鉆孔孔口處安裝卸壓裝置，結(jié)構(gòu)簡單、卸壓效果差，導(dǎo)致前期放水過程中受水壓作用，孔口管處出現(xiàn)嚴(yán)重竄動現(xiàn)象，不利于探放水施工安全[1-2]。

2 新型卸壓控水裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

為了進(jìn)一步提高探放水施工安全，防止因水壓作用出現(xiàn)透水事故，惠陽煤礦地測科通過技術(shù)研究，對15111運輸順槽探水鉆孔安裝了一套新型卸壓控水裝置。

2.1 結(jié)構(gòu)

1）新型卸壓控水裝置主要由環(huán)形卡箍、控水管、閘閥、水壓表、封孔套管、控水閘閥、法蘭盤、頂絲扳手等部分組成，如圖1所示。

圖1 新型卸壓控水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2）15111運輸順槽探水鉆孔采用的封孔套管長度為3.0 m、直徑為1.8 mm，為PVC管，套管兩端焊接一個絲扣和螺口，由于15111運輸順槽擴孔深度為11 m，所以鉆孔內(nèi)共計安裝4節(jié)封孔套管，套管之間采用絲扣連接固定，套管安裝后外露長度為1.0 m。

3）由于15111運輸順槽探水鉆孔擴孔直徑為130 mm，而孔口套管直徑為108 mm，為了固定孔口套管，在套管與鉆孔壁之間采用膨脹水泥進(jìn)行封孔處理，封孔長度不得低于8 m。

4）在孔口套管外露端分別安裝法蘭盤、水壓表、控水閥門等，環(huán)形卡箍長度為0.2 m，采用阻燃橡膠制成，卡箍上下兩側(cè)安裝頂絲扳手，通過頂絲扳手可實現(xiàn)卡箍對鉆桿進(jìn)行固定作用。

5）水壓表主要監(jiān)測放水壓力、控水閥門安裝在控水管下端，當(dāng)水壓較大時，可通過控水閥門進(jìn)行放水卸壓作用；控制閘閥主要對鉆孔出水時進(jìn)行臨時堵水作用。

2.2 工作原理

1）當(dāng)探水鉆孔施工深度達(dá)11 m后及時更換直徑為130 mm擴孔鉆頭進(jìn)行擴孔施工，擴孔深度為11 m，擴孔后鉆孔直徑為130 mm，鉆孔擴孔完成后對鉆孔內(nèi)安裝封孔套管，然后采用注漿泵向套管與孔壁之間間隙填注膨脹水泥進(jìn)行封孔處理，封孔2 h后鉆孔方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

2）封孔套管安裝后在外露套管上依次安裝環(huán)形卡箍、法蘭盤、閘閥、水壓表、控水閥門，待所有配件全部安裝到位后，鉆孔方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

3）鉆孔鉆進(jìn)至積水區(qū)時，當(dāng)水壓小于0.5 MPa時可直接拔出鉆桿通過卸壓控水裝置進(jìn)行放水。

4）當(dāng)積水區(qū)水壓大于0.5 MPa時直接拔出鉆桿很容易發(fā)生孔口管竄動現(xiàn)象，此時通過擰動頂絲扳手使環(huán)形卡箍緊緊抱住鉆桿，防止受水壓作用出現(xiàn)鉆桿噴射現(xiàn)象；鉆桿固定后打開控水閥門進(jìn)行放水卸壓，在放水卸壓過程中通過閘閥控制住水量，防止水量過大導(dǎo)致控水閥門噴水現(xiàn)象。

5）卸壓放水一段時間后當(dāng)積水區(qū)水壓低于0.5 MPa時，及時關(guān)閉控水閥門并反方向擰頂絲扳手，使環(huán)形卡箍松動，然后拔出鉆桿，通過控水管進(jìn)行放水，如圖2所示。

圖2 卸壓控水工作原理框架圖

3 新型卸壓控水裝置優(yōu)缺點及應(yīng)用效果

3.1 裝置優(yōu)缺點

3.1.1 優(yōu)點

1）成本費用低：新型卸壓控水裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，整套裝置成本費用不足0.32萬元，便于操作維護(hù)。

2）卸壓控水效果好：與傳統(tǒng)孔口放水裝置相比，新型卸壓控水裝置可根據(jù)水壓大小實現(xiàn)卸壓作用，有效防止了傳統(tǒng)孔口放水裝置因水壓大出現(xiàn)頂鉆、孔口管竄動以及鉆桿噴射現(xiàn)象，提高了探放水施工安全，具有很好的卸壓控水效果。

3）應(yīng)用領(lǐng)域廣：新型卸壓控水裝置不僅可用于煤礦井下探水施工，而且可用于隧道施工、地鐵施工，受施工環(huán)境及地質(zhì)條件影響小，應(yīng)用領(lǐng)域廣[3-4]。

3.1.2 缺點

1）由于鉆孔在施工過程中產(chǎn)生高濃度粉塵，導(dǎo)致控水裝置水壓表內(nèi)部進(jìn)入浮塵，影響監(jiān)測水壓精度，需定期對其進(jìn)行清理并更換密封圈；

2）環(huán)形卡箍長期使用時，很容易出現(xiàn)彈性失效，需定期進(jìn)行更換。

3.2 實際應(yīng)用效果

15111運輸順槽掘進(jìn)至420 m處時對巷道內(nèi)探水鉆孔安裝了新型卸壓控水裝置，截止2021年4月21日巷道已掘進(jìn)到位，巷道每掘進(jìn)70 m在工作面迎頭施工一排探水鉆孔，每排3個，巷道從420～710 m段共計施工12個探水鉆孔，后期掘進(jìn)過程中共計放水量為3 389 m3，在420～540 m段上覆積水平均壓力為1.4 MPa，其他區(qū)域上覆積水平均壓力為0.7 MPa，通過現(xiàn)場放水施工來看，鉆孔安裝新型卸壓控水裝置后，在后期探放水施工時未出現(xiàn)孔口管竄動及頂鉆現(xiàn)象，實測控制裝置可最大承受水壓為2.0 MPa，滿足煤礦井下探放水施工需求。

4 結(jié)語

煤礦井下探放水施工過程中鉆孔封孔及防水控水是兩個重要環(huán)節(jié)，對于積水壓力較高區(qū)域探放水施工時若不采取合理有效的控水措施很容易發(fā)生透水事故。對此，惠陽煤礦地測科基于傳統(tǒng)探水鉆孔控制裝置主要存在的問題，對15111運輸順槽探水鉆孔安裝了一套新型控水裝置，通過實際應(yīng)用效果來看，該裝置具有控水效果好、卸壓作用強、實用性強等優(yōu)點，有效保證了采掘巷道探放水施工安全。